Print bookPrint book

§ 22. Фотосинтетические пигменты. Световая фаза фотосинтеза

Site: Профильное обучение
Course: Биология. 11 класс
Book: § 22. Фотосинтетические пигменты. Световая фаза фотосинтеза
Printed by: Guest user
Date: Tuesday, 23 July 2024, 9:34 PM

В отличие от гетеротрофов, которым необходимы готовые органические соединения, автотрофы способны синтезировать их из неорганических веществ. Процессы биосинтеза относятся к пластическому обмену и, следовательно, сопровождаются поглощением энергии. Из курса биологии 10-го класса вам известно, что некоторые бактерии (железобактерии, бесцветные серобактерии, нитрифицирующие, водородные) для образования органических соединений используют энергию, которая выделяется при окислении неорганических веществ. Такие организмы называются хемоавтотрофами. Однако большинство автотрофных организмов использует для этого энергию света. Они составляют группу фотоавтотрофов.

Понятие фотосинтеза. К фотоавтотрофам относятся зеленые растения, водоросли, цианобактерии *зеленые и пурпурные серобактерии* и др. В процессе фотосинтеза с помощью специальных пигментов они поглощают световую энергию и преобразуют ее в энергию химических связей органических веществ. Исходным материалом для синтеза органических соединений являются такие неорганические вещества, как углекислый газ и вода. Таким образом, фотосинтез — это процесс образования органических веществ из углекислого газа и воды, протекающий с поглощением энергии света при участии фотосинтетических пигментов.

*В XVII в. нидерландский исследователь Я. ван Гельмонт посадил в горшок с землей ветвь ивы, предварительно взвесив как почву, так и побег растения. В течение 5 лет он выращивал иву, не добавляя в горшок ничего, кроме воды. Затем ученый снова взвесил почву и растение. Оказалось, что масса ивы за эти годы увеличилась почти на 75 кг, в то время как масса почвы уменьшилась всего на 57 г. На основании этого ван Гельмонт пришел к выводу о том, что вещества растений образуются только из воды, а не из почвы и воздуха. Это ошибочное мнение было распространено до конца XVIII в.

В 1771 г. британский естествоиспытатель Дж. Пристли поместил живую веточку мяты в закрытый сосуд, воздух в котором был «испорчен горением свечи». Через несколько дней он обнаружил, что свеча в этом сосуде снова могла гореть, и сделал заключение о том, что растения способны «исправлять воздух». Следовательно, открытие фотосинтеза принадлежит Дж. Пристли. В то время он полагал, что воздух — это единое вещество, которое переходит из одной формы в другую. Дальнейшие опыты привели Дж. Пристли к открытию кислорода, и в 1778 г. он доказал, что при фотосинтезе растения поглощают углекислый газ и выделяют кислород. Когда Дж. Пристли награждали медалью за его достижения, ученый сказал: «Благодаря этим открытиям мы уверены, что растения произрастают не напрасно, а очищают и облагораживают нашу атмосферу».

Однако Дж. Пристли не обратил внимания на то, что фотосинтез протекает только при наличии света. Это установил голландский физиолог Я. Ингенхауз. Он погружал ветвь растения в воду и наблюдал выделение пузырьков кислорода на свету. В темноте образование кислорода прекращалось. В 1796 г. Ингенхауз вывел следующее уравнение фотосинтеза:

углекислый газ + вода = растительные ткани + кислород.*

Фотосинтетические пигменты и их локализация. Как вы знаете, у растений и водорослей фотосинтез происходит в хлоропластах, внутренняя мембрана которых образует уплощенные мешочки — тилакоиды. В мембранах тилакоидов содержатся фотосинтетические пигменты — окрашенные органические соединения, обеспечивающие поглощение света в процессе фотосинтеза.

*Фотосинтезирующие бактерии, как и другие прокариоты, не имеют настоящих мембранных органоидов, а значит, и хлоропластов. Процесс фотосинтеза протекает у них в цитоплазме, с участием хорошо развитых мембранных структур, которые образуются путем впячивания плазмалеммы внутрь клетки.*

*Каждый пигмент способен поглощать свет только в определенной части спектра (т. е. электромагнитные волны определенной длины), остальные световые волны отражаются. В зависимости от спектрального состава отраженного света пигменты приобретают ту или иную окраску  — зеленую, желтую, оранжевую и т. д. Фотосинтетические пигменты растений и большинства водорослей представлены хлорофиллами и каротиноидами. У красных водорослей и цианобактерий в фотосинтезе также участвуют пигменты фикобилины. Важнейшая роль в процессе фотосинтеза принадлежит хлорофиллам.

Известно несколько видов хлорофиллов (a, b, c, d, e и др.). Их молекулы устроены сходным образом и различаются лишь боковыми заместителями. Основой строения молекулы хлорофилла является порфириновое ядро и остаток спирта фитола (рис. 22.1). Порфириновое ядро состоит из четырех азотсодержащих колец, соединенных мостиками. Это плоская структура, в центре которой располагается ион Mg2+. Гидрофильное ядро лежит на поверхности мембраны тилакоида, обращенной к строме, и служит для поглощения света. Гидрофобный хвост спирта фитола (С20Н39ОН) погружен в мембрану. Он выполняет функцию якоря, удерживающего молекулу хлорофилла в мембране тилакоида.*

*Интересно, что порфириновое ядро, содержащее ион Fe2+ вместо Mg2+, является структурной основой гема — простетической группы таких сложных белков, как гемоглобинмиоглобинкаталазацитохромы и др.*

*Хлорофиллы окрашены в различные оттенки зеленого цвета. Например, хлорофилл а имеет сине-зеленую окраску, хлорофилл b — желто-зеленую. Это связано с тем, что хлорофиллы поглощают свет преимущественно в сине-фиолетовой и красной частях спектра (рис. 22.2) и отражают световые волны, дающие при смешивании зеленый цвет.*

*Хлорофилл а есть у всех растений, водорослей и цианобактерий, хлорофилл b — у растений и некоторых водорослей (зеленых, эвгленовых и др.). Бурые водоросли вместо хлорофилла b содержат хлорофилл с, красные — хлорофилл d.

Фотосинтезирующие бактерии, за исключением цианобактерий, вместо хлорофиллов содержат различные бактериохлорофиллы (abcd и др.). По структуре они сходны с хлорофиллами, но способны поглощать красный свет большей длины волны и даже инфракрасное излучение. Это позволяет фотоавтотрофным прокариотам (например, зеленым и пурпурным серобактериям) использовать часть спектра, недоступную для других фотосинтезирующих организмов.*

*Каротиноиды — группа фотосинтетических пигментов, представленная каротинами и ксантофиллами. Это гидрофобные соединения. Однако в отличие от каротинов, построенных только из атомов углерода и водорода, в состав молекул ксантофиллов входят две или несколько полярных групп, содержащих кислород.

Каротины имеют желтую, оранжевую или красную окраску и содержатся в хлоропластах и хромопластах растений. В зеленых листьях они «замаскированы» большим количеством хлорофиллов, однако становятся хорошо заметными осенью, когда из-за разрушения хлорофиллов листья меняют окраску.*

*Наиболее известными каротинами являются желто-оранжевый β-каротин и красный ликопин. β-каротин, содержащийся в листьях всех растений, корнеплодах моркови, плодах шиповника и т. д., является провитамином А для человека. Ликопин обнаружен во многих растениях. Это главный пигмент, определяющий окраску томатов и мякоти плодов арбуза.*

*Желтые, оранжевые, бурые и коричневые ксантофиллы характерны для растений, бурых и некоторых других водорослей.

Каротиноиды наиболее интенсивно поглощают синие и фиолетовые лучи спектра (см. рис. 22.2). Располагаясь в мембранах тилакоидов, они не только участвуют в поглощении световой энергии, но и защищают менее устойчивые хлорофиллы от избытка света и окисления кислородом, который выделяется при фотосинтезе.

Как уже отмечалось, для красных водорослей и цианобактерий, помимо хлорофиллов и каротиноидов, характерно наличие фикобилинов. Это преимущественно красные (фикоэритрин) и синие (фикоцианин) пигменты, способные поглощать оранжевый, желтый и зеленый свет, недоступный хлорофиллам и каротиноидам (см. рис. 22.2).*

*Фикобилины — гидрофильные пигменты, поэтому они не могут располагаться внутри мембран тилакоидов как каротиноиды или гидрофобные хвосты молекул хлорофиллов. В комплексе с особыми белками фикобилины образуют светопоглощающие структуры, которые прикрепляются к поверхности мембран тилакоидов.*

*Таким образом, наличие дополнительных фотосинтетических пигментов обеспечивает поглощение более широкого диапазона световых лучей. Это особенно важно для фотоавтотрофов, живущих в условиях недостаточного освещения, например для красных водорослей, которые обитают на глубинах до 200 м.*

Молекулы фотосинтетических пигментов, объединяясь со специальными белками, формируют сложные структуры, пронизывающие мембрану тилакоидов. Такие пигмент-белковые комплексы называются фотосистемами.

Известно два вида фотосистем — фотосистема I (ФС I) и фотосистема II (ФС II). В состав каждой из них входит светособирающая антенна, образованная *несколькими сотнями* молекул пигментов, реакционный центр и переносчики электронов (рис. 22.3). Пигменты, входящие в состав светособирающей антенны, поглощают свет и передают всю собранную энергию в реакционный центр. Он представлен особой молекулой хлорофилла а — так называемой молекулой-ловушкой. Поглотив энергию, молекула-ловушка переходит в возбужденное состояние. Один из ее электронов *перемещается на более высокий энергетический уровень, а затем* присоединяется к специальному переносчику. Сама молекула-ловушка при этом окисляется.

*Одно из различий между фотосистемами заключается в том, что реакционный центр ФС I представляет собой молекулу хлорофилла а, максимум поглощения которой приходится на свет с длиной волны 700 нм. Эта форма хлорофилла обозначается как Р700 (P — сокращение от англ. pigment). Молекула-ловушка ФС II наиболее интенсивно поглощает световые волны длиной 680 нм — это хлорофилл P680.*

Другое важное отличие фотосистем связано с тем, что в состав ФС II входит особый ферментный комплекс, осуществляющий на свету фотолиз воды — расщепление молекул воды с образованием кислорода (О2), электронов (е) и протонов (Н+):

2О → О2 + 4е + 4Н+.

*Установлено, что данный процесс протекает с участием ионов марганца и кальция.*

Полученные при этом электроны ФС II использует для восстановления своей молекулы-ловушки, *т. е. хлорофилла Р680*. В ФС I отсутствует подобный ферментный комплекс, и, следовательно, она не способна использовать воду в качестве источника электронов для восстановления молекулы *Р700*.

Процесс фотосинтеза можно разделить на две фазы — световую и темновую. Световая фаза осуществляется на мембранах тилакоидов и только при наличии света. Реакции темновой фазы протекают в строме хлоропласта и не требуют света, однако для них необходимы продукты световой фазы. Поэтому темновая фаза происходит практически одновременно со световой.

*Как уже упоминалось, мембрана тилакоидов содержит фотосистемы. Кроме того, в ее состав входят ферментные комплексы АТФ-синтетазы и вещества, образующие ЭТЦ — электрон-транспортную цепь (рис. 22.4). В этом заключается сходство мембраны тилакоидов с внутренней мембраной митохондрий, особенности которой были рассмотрены в § 21. Компоненты ЭТЦ тилакоидов отличаются от митохондриальных — в мембране тилакоидов содержатся другие виды цитохромов и некоторые специфические переносчики. Однако ЭТЦ хлоропластов и митохондрий функционируют сходным образом, обеспечивая последовательную передачу электронов от одного переносчика к другому.*

Световая фаза фотосинтеза. Процессы, протекающие в световой фазе, можно представить следующим образом.

1. Пигменты обеих фотосистем поглощают свет. Полученная энергия передается в реакционные центры на молекулы-ловушки, которые переходят в возбужденное состояние и отдают электроны переносчикам.

Электрон из ФС I транспортируется переносчиками ЭТЦ на внешнюю сторону тилакоида. Электрон из ФС II с помощью переносчиков доставляется в ФС I и восстанавливает молекулу-ловушку этой фотосистемы. ФС II, как вы уже знаете, восстанавливает свою молекулу-ловушку за счет электронов, полученных при фотолизе воды.

Кислород, который образуется при фотолизе воды, выделяется из хлоропласта в гиалоплазму клетки, затем в окружающую среду, а протоны (Н+) накапливаются внутри тилакоида.

2. Накопление протонов внутри тилакоида ведет к возникновению на его мембране электрохимического потенциала. Когда концентрация протонов достигает определенного уровня, они устремляются в строму хлоропласта, проходя через каналы АТФ-синтетазы. При этом АТФ-синтетаза использует энергию движения протонов для синтеза АТФ.

*3. На внешней стороне тилакоида происходит восстановление кофермента НАДФ+ за счет присоединения к нему электронов и протонов:

НАДФ+ + 2е + 2Н+ → НАДФН+Н+.

НАДФ — никотинамидадениндинуклеотидфосфат (полное название приводится не для запоминания) является переносчиком атомов водорода в процессе фотосинтеза. По структуре и функциям он сходен с коферментом НАД, участвующим в клеточном дыхании и брожении, и отличается от него только наличием дополнительного остатка фосфорной кислоты.*

*Обратите внимание на последнюю букву в сокращенных названиях коферментов, транспортирующих атомы водорода. Если это буква Д (как в случае с НАД и ФАД), то кофермент участвует в процессе клеточного Дыхания, если буква Ф (НАДФ) — в Фотосинтезе.*      

Таким образом, в ходе световой фазы энергия света поглощается и преобразуется в энергию макроэргических связей АТФ, происходит расщепление воды с выделением кислорода и накопление атомов водорода *в форме НАДФН+Н+*. Продуктами световой фазы фотосинтеза являются АТФ, *восстановленный НАДФ* и кислород. Кислород — побочный продукт фотосинтеза, он выделяется в окружающую среду. АТФ и *НАДФН+Н+* используются в темновой фазе фотосинтеза.

*Выделение молекулярного кислорода как побочного продукта фотолиза воды характерно для растений, водорослей и цианобактерий. Это так называемый оксигенный фотосинтез. 

Многие фотосинтезирующие бактерии (например, пурпурные и зеленые серобактерии) не осуществляют фотолиз воды. В качестве источника электронов для восстановления фотосистем они используют другие вещества — сероводород, серу, молекулярный водород и др. Такой тип фотосинтеза не сопровождается выделением кислорода и называется аноксигенным.*

Фотосинтез — процесс образования органических веществ из углекислого газа и воды, который происходит с поглощением световой энергии при участии фотосинтетических пигментов. Выделяют три основных группы фотосинтетических пигментов: хлорофиллы, каротиноиды и фикобилины. Хлорофиллы поглощают свет преимущественно в сине-фиолетовой и красной частях спектра, каротиноиды — в сине-фиолетовой. Фикобилины способны поглощать оранжевый, желтый и зеленый свет, недоступный хлорофиллам и каротиноидам.

У растений и водорослей фотосинтез протекает в хлоропластах: световая фаза — на мембранах тилакоидов и только на свету, темновая — в строме, независимо от наличия света. В световой фазе происходит поглощение света пигментами, фотолиз воды, синтез АТФ и восстановление НАДФ. Один из продуктов этой фазы — кислород выделяется в окружающую среду. Другие продукты — АТФ и НАДФН+Н+ используются в темновой фазе.

1. Фотосинтез является процессом пластического или энергетического обмена? Почему?

2. В каких органоидах растительной клетки происходит фотосинтез? Что представляет собой фотосистема? Какую функцию выполняют фотосистемы? В чем заключаются различия между фотосистемами I и II?

3. Охарактеризуйте световую фазу фотосинтеза по плану: 1) место протекания; 2) исходные вещества; 3) происходящие процессы; 4) конечные продукты. Какие продукты световой фазы фотосинтеза используются в темновой фазе?

4*. Сравните основные группы фотосинтетических пигментов по различным признакам. Укажите черты сходства и различия.

5*. Зеленые водоросли обитают преимущественно на морском мелководье и в неглубоких пресных водоемах. Бурые водоросли заселяют глубины до 40—100 м, а красные могут существовать и на большей глубине — до 200 м. С чем это связано?

6*. Исследователи разделили растения пшеницы на две группы и выращивали их в лаборатории в одинаковых условиях, за исключением того, что растения первой группы освещали красным светом, а растения второй группы — зеленым. У растений какой группы фотосинтез протекал более интенсивно? Почему?

Выделение из листьев фотосинтетических пигментов и изучение их свойств

Задание рекомендуется выполнять в школе. Будьте осторожны при работе с реактивами и нагревательными приборами, соблюдайте правила техники безопасности!

I. Выделение фотосинтетических пигментов

  1. Зеленые листья растения измельчите с помощью ножниц (лучше использовать участки листовых пластинок, не содержащие крупных жилок).
  2. Небольшое количество измельченных листьев (около 1 г) поместите в фарфоровую ступку. Добавьте туда немного мела, кварцевого песка (можно заменить обычным песком) и примерно 5 мл этилового спирта.
  3. Тщательно разотрите смесь пестиком.
  4. После этого добавьте в ступку еще около 5—10 мл этанола, хорошо перемешайте содержимое и профильтруйте его.

Полученный раствор представляет собой спиртовую вытяжку фотосинтетических пигментов — хлорофиллов и каротиноидов. Зеленый цвет раствора обусловлен тем, что хлорофиллы, содержащиеся в листьях в большом количестве, «маскируют» каротиноиды, имеющие желтую и оранжевую (реже красную или другую) окраску.
Различают два типа каротиноидов — каротины и ксантофиллы. Каротины — неполярные соединения. В состав молекул ксантофиллов входят полярные группы.

● Как вы думаете, для чего при выделении пигментов в ступку с измельченными листьями добавляется песок?

● Зачем добавляется мел?

II. Разделение пигментов по методу Крауса

  1. Налейте в пробирку 3—4 мл спиртовой вытяжки пигментов.
  2. Добавьте 5—7 мл бензина (или петролейного эфира) и 2—3 капли воды для того, чтобы спиртовая фаза легче отделялась от бензиновой.
  3. Пробирку закройте пробкой, несколько раз интенсивно встряхните, затем дайте содержимому отстояться в течение нескольких минут.

Происходит разделение смеси на 2 слоя: верхний (более легкий) — бензиновый и нижний — спиртовой (рис. 22.5). Бензиновый слой окрашен в зеленый цвет, он содержит хлорофиллы и каротины. Спиртовой слой имеет желтую (или желто-оранжевую) окраску, здесь содержатся ксантофиллы. Если разделение будет недостаточно четким, добавьте 1—2 капли воды, взболтайте и повторите отстаивание.

Известно, что хлорофиллы представляют собой сложные эфиры гидрофильной хлорофиллиновой кислоты и двух спиртов — метанола (СН3ОН) и фитола20Н39ОН). Как вы думаете, какой из этих структурных компонентов (и почему именно он) обусловливает растворение хлорофиллов в бензине?

● Из-за чего произошло разделение каротиноидов?

● Почему ксантофиллы оказались в спиртовом слое, а каротины — в бензиновом?

III. Действие щелочи на хлорофилл

  1. В пробирку с пигментами, разделенными по методу Крауса, добавьте одну гранулу NaOH (или КОН).
  2. Закройте пробирку пробкой, взболтайте до растворения щелочи и дайте отстояться.
  3. Под действием щелочи происходит омыление хлорофилла — отщепление остатков спиртов и образование соли хлорофиллиновой кислоты. Из-за этого хлорофилл теряет способность растворяться в бензине и переходит в нижний (спиртовой) слой. Каротины и ксантофиллы не реагируют со щелочью.
  4. После отстаивания обратите внимание на изменение цвета слоев.

Если гранулированной щелочи нет, опыт можно провести следующим образом.

  1. Налейте в пробирку 2—3 мл спиртового раствора пигментов, добавьте 1—2 мл раствора NaOH (или KOH), 2 мл бензина (петролейного эфира) и 1—2 капли воды.
  2. Закройте пробирку пробкой, хорошо перемешайте содержимое и дайте отстояться.

● Какую окраску имеет бензиновый слой? Какие пигменты он содержит?

● Какой цвет приобрел спиртовой слой? Почему? Что в нем содержится?

IV. Действие кислоты на хлорофилл и восстановление его окраски

В состав молекулы хлорофилла входит ион Mg2+. Под действием кислот он замещается двумя протонами (Н+) и образуется вещество бурого цвета — феофитин. Действуя на феофитин солями меди или цинка, можно восстановить зеленую окраску пигмента благодаря замещению протонов ионами этих металлов (полученная окраска будет несколько отличаться от исходного цвета хлорофилла).

  1. В три пробирки налейте по 3—5 мл спиртовой вытяжки пигментов.
  2. Одну из них оставьте для сравнения, а в две другие добавьте несколько капель 10%-го раствора HCl. Зеленая окраска меняется на бурую в связи с образованием феофитина.
  3. Затем в одну из пробирок с феофитином добавьте несколько кристаллов ацетата меди или цинка (либо несколько капель насыщенного раствора этой соли).
  4. Нагрейте пробирку на водяной бане, обратите внимание на постепенное восстановление зеленой окраски. Если цвет раствора не изменяется, добавьте в пробирку еще немного ацетата меди (цинка) и продолжайте нагревать.

● Ярко-зеленые овощи считаются более привлекательными, чем бурые. Однако в процессе приготовления они нередко меняют исходную зеленую окраску на менее аппетитную. Вспомните, например, какой цвет имеет отваренный щавель или термически обработанный зеленый лук. С чем связано изменение зеленой окраски овощей на бурую?

● Как вы думаете, что можно предпринять для сохранения ярко-зеленого цвета овощей? Учтите, что добавлять в пищу соли меди, цинка или других тяжелых металлов недопустимо — они токсичны для организма!